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歐洲空中客車公司Eurostar-E3000系列衛星平臺發展特點

軍工資源網 2022年04月13日
導讀:2021年,基于全新Eurostar Neo衛星平臺設計的歐洲通信衛星公司(Eutelsat)HotBird 13F完成總裝,有效載荷總功率超過25kW。Eurostar Neo衛星平臺是歐洲空中客車航天與防務公司(Airbus Defence and Space)Eurostar-E3000系列衛星平臺推出的最新產品。Eurostar-E3000是歐洲通訊衛星應用最多的衛星平臺,具有全電推進、全化學推進和混合推進的可選類型,具有全面性、體系性、系統性和先進性的創新特點。


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一、發展背景

20世紀80年代,美國衛星制造商在全球通信衛星市場中占據了大部分份額,為了改變這一局面,當時的英國航空航天公司(British Aerospace)和法國馬特拉·馬可尼航天公司(Matra Marconi Space)合作設計了一款全新的通信衛星平臺,被命名為Eurostar-E1000,后來合資成立了阿斯特留姆公司(Astrium)。1988~2008年,基于Eurostar-E1000改進的Eurostar-E2000衛星平臺逐漸進入市場取代了Eurosta-E1000,并獲得巨大商業成功。21世紀初,吸取Eurostar-E1000/2000兩代衛星平臺特點的Eurostar-E3000展現了Eurostar系列衛星平臺可靠和創新的特點。

2013年,歐洲空中客車公司收購了阿斯特留姆公司,并將Eurostar系列衛星平臺并入航天與防務公司,進一步根據有效載荷需求發展了多系列衛星平臺產品,形成了現在的Eurostar-E3000/E3000S/E3000GM/E3000EOR/Neo等。

二、設計特點

Eurostar-E3000系列衛星平臺采用模塊化通用設計理念,保證了有效載荷靈活適應性。衛星平臺主體為中心復合材料結構支撐的鋁蜂窩材料面板,有效載荷安裝在南、北面板和對地最低板內側,天線安裝在東、西面板上。衛星平臺南、北面板外側各裝有由3~5塊砷化鎵電池板組成的太陽電池翼。從結構上劃分,Eurostar-E3000系列衛星平臺主要由一個通用的服務艙模塊和一個根據不同任務定制的通訊模塊(Communications Module)組成。

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Eurostar-E3000衛星平臺結構

Eurostar-E3000系列衛星平臺性能參數

資料來源:市場調研

(一)通訊模塊

為了保證衛星平臺結構緊湊,通訊模塊的布置可以有“單層”、“雙層”和“三層”的不同版本,不同的設備安裝區域滿足不同任務需要。這種多模塊布置能夠支持衛星在橫飛姿態時側面板始終面向地球,使有效載荷天線有更多安裝方式。

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從左至右依次為“單層”、“雙層”和“三層”的通訊模塊

(二)服務艙模塊

采用雙組元化學推進或混合推進方式的Eurostar-E3000衛星平臺服務艙主要是四個推進劑貯箱,可以容納2400~3300kg的推進劑,這些化學推進劑能滿足衛星平臺15年工作壽命的所有推進需求。全電推進的衛星平臺型號中取消了服務艙模塊設計,這樣節省了約2000kg多余的發射質量。推進劑貯箱材料為Ti-6Al-4V,分為四段鑄造而成,最后再用電子束焊接方式組裝而成。

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Eurostar-E3000衛星平臺服務艙模塊

Eurostar-E3000衛星平臺推進劑貯箱

(三)熱管理

Eurostar-E3000衛星平臺的南、北側面板擔負熱防護功能,面板嵌入二維熱管網絡,所有熱量耗散單元都安裝在熱管網絡上,必要時南、北側面板的熱管網絡可以耦合工作。但在日常工作時首選無液體回流被動熱防護方案以及加熱器。

(四)電源

Eurostar-E3000是最早使用鋰離子或鎳氫電池的衛星平臺(現在主要使用鋰離子電池),可以根據電源需要和有效載荷的供電需求使用1~2個鋰離子電池-電源穩壓器架構,通過并聯數個該架構可以解決擴展的需求。在某些條件下,單個電池-電源穩壓器架構可以與超過20kW功率的有效載荷兼容。出于質量平衡的原因,一般2個電池架構安裝在對稱側板下方。

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鋰離子電池-電源穩壓器架構

(五)推進系統

Eurostar-E3000衛星平臺可以提供全化學推進、混合推進以及全電推進多種可選模式。其中只有Eurostar-E3000EOR和Eurostar-Neo的部分型號支持全電推進。

全化學推進模式下,動力系統由14臺10N級S10-21雙組元推力器和1臺445N級RD-4-15遠地點火箭發動機組成,推進劑均為甲基肼+四氧化二氮。10N級S10-21推力器主要用于在軌位置保持、姿態控制以及緊急機動。

Eurostar-E3000系列衛星平臺化學推力器性能參數

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資料來源:市場調研

混合推進模式下,衛星平臺還保留了全化學推進模式下的推力器布局,不同的是在南、北側面板底部處各安裝了一對1.35kW級SPT-100氙離子霍爾電推力器,整星共兩對4個SPT-100電推進器,推力方向受指向機構(TPM)控制,由兩個能量處理單元(PPU)控制放電電流,氙氣流量受流量控制器(XFC)控制。SPT-100霍爾電推進器僅用于衛星在軌南、北位置保持。

SPT-100氙離子霍爾電推力器及其推力指向結構(TPM)

全電推進模式下取消了所有化學推進器,包括10N化學推力器、遠地點發動機及推進劑貯箱。2017年,空客公司在Eurostar-E3000EOR衛星平臺上使用了最新的4.5kW功率SPT-140氙離子霍爾電推力器,依舊安裝在南、北側面板底部處。由于沒有大推力的化學推進裝置,衛星入軌時間增加到約4個月。

Eurostar-E3000系列衛星平臺霍爾電推力器性能參數

資料來源:市場調研

(六)太陽能陣列電池

2017年,空客公司為Eurostar-E3000系列衛星平臺研制了“下一代太陽能陣列”(Next Generation Solar Array,NGSA)電池技術,以原來直線排列的電池板構型為基礎,改為剛性和半剛性太陽能電池板組合的方式,如下圖所示,淺綠色(A、B)是剛性太陽能電池板,深綠色(A1/2、B1/2)是半剛性太陽能電池板。這樣設計相當于每個電池板面積為9m2

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“下一代太陽能陣列”(NGSA)排布方式

電池類型可以選擇為三結砷化鎵太陽能電池或四結砷化鎵太陽能電池,對比壽命終期(EOL)夏至點電池性能如下。可以看出若采用NGSA四結砷化鎵太陽能電池,最終功率質量比、功率體積比超出原設計方案一倍。

“下一代太陽能陣列”電池性能對比

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資料來源:市場調研

在未來即將發射的Eurostar-Neo衛星平臺上,空客公司還將試驗一種新的NGSA排布方式,搭配的是一種新型太陽能電池板——4G32,在10^15 1MeV e/cm^2的電子通量下效率約為28.5%,預計功率質量比(W/kg)將達79~88、功率體積比(kW/平米)將達6.4~7。

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即將在Eurostar-Neo衛星平臺試驗的NGSA排布

三、應用情況

從2004年至今,已經有94顆高軌道衛星采用Eurostar-E3000系列衛星平臺,并且累計在軌運行超過1000年,客戶包括西班牙、土耳其、英國、阿聯酋、法國等國家的衛星通信公司,還包括歐洲各國政府以及歐洲通信衛星公司(Eutelsat)等。從2017年開始,全電推進的Eurostar-E3000EOR進入市場,已經有6顆衛星采用該平臺進入任務軌道,同時還有12顆全電推進衛星處于生產中。2017年,空客公司宣布推出了Eurostar-Neo衛星平臺,支持全化學、混合和全電推進模式,不僅增大了有效載荷功率,改進了太陽能板陣列形式,還采用了激光熔融增材制造技術生產了鋁合金遙測天線支架。

總結:

在美國衛星制造商施加的巨大壓力下,Eurostar-E3000衛星平臺以創新能力爭取到了衛星制造市場的一隅之地。首先提出使用鋰離子電池、實現衛星平臺數字化,還提出輕量化高功率密度太陽電池陣列,此外還具有高度模塊化和極為靈活的有效載荷適應特性。但目前平均每路轉發器價格還比較高,還需要通過更多通用化設計和市場成熟組件采購進一步降低成本。

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參考資料
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